实验二十一现代数字调制解调

现代通信原理实验指导书21－1实验二十一现代数字调制、解调实验一、实验目的1、了解用FPGA进行电路设计的基本方法。2、掌握MSK、GMSK的概念以及它们之间的关系和不同。3、掌握MSK、GMSK调制和解调原理。4、掌握QPSK、OQPSK、DQPSK、π/4－DQPSK的概念以及它们之间的关系。5、掌握QPSK、OQPSK、DQPSK、π/4－DQPSK调制和解调原理。二、实验内容1、观察MSK、GMSK、QPSK、OQPSK、DQPSK、π/4－DQPSK调制各信号波形。2、观察MSK、GMSK、QPSK、OQPSK、DQPSK、π/4－DQPSK解调各信号波形。三、实验仪器1、信号源模块2、现代数字调制模块3、现代数字解调模块4、20M双踪示波器一台5、频率计（选用）一台6、连接线若干四、实验原理随着通信业务量的增加，频谱资源日趋紧张，为了提高系统的容量，信道间隔已由最初的100kHz减少到25kHz，并将进一步减少到12.5kHz，甚至更小，由于数字通信具有建网灵活，容易采用数字差错控制技术和数字加密，便于集成化，并能够进入ISDN网，所以通信系统都在由模拟制式向数字制式过渡。因此系统中必须采用数字调制技术，然而一般的数字调制技术，如ASK、PSK和FSK因传输效率低而无法满足移动通信的要求，为此，需要专门研究一些抗干扰性强、误码性能好、频谱利用率高的数字调制技术，尽可能地提高单位频谱内传输数据的比特率，以适用于移动通信窄带数据传输的要求。如最小频移键控（MSK－MinimumShiftKeying），高斯滤波最小频移键控（GMSK－GaussianFilteredMinimumShiftKeying），四相相移键控（QPSK－QuadratureReferencePhaseShiftKeying），交错正交四相相移键控（OQPSK－OffsetQuadratureReferencePhaseShiftKeying），四相相对相移键控（DQPSK－DifferentialQuadratureReferencePhaseShiftKeying）和π/4正交相移键控（π/4－DQPSK－DifferentialQuadratureReferencePhaseShiftKeying）,已在数字蜂房移动通信系统中得到广泛应用。1、MSK调制、解调原理（1）MSK调制原理现代通信原理实验指导书21－2MSK叫最小移频键控，它是移频键控（FSK）的一种改进型。这里“最小”指的是能以最小的调制指数（即0.5）获得正交信号，它能比PSK传送更高的比特速率。二进制MSK信号的表达式可写为：costSMSKkkctTsat2kTstTsk)1(c——载波角频率；Ts——码元宽度；ka——第k个码元中的信息，其取值为±1；k——第k个码元的相位常数，它在时间kTstTsk)1(中保持不变；当ka＝＋1时，信号的频率为：2f＝cf＋Ts41当ka＝－1时，信号的频率为：1f＝cf－Ts41由此可得频率之差为：f＝2f－1f＝Ts21那么MSK信号波形如图21-1所示：＋－－＋＋＋－－图21-1MSK信号波形为了保持相位的连续，在t=kTs时间内应有下式成立：k=1k＋（1ka－ka）2（1k）即：当ka＝1ka时，k=1k；当ka≠1ka时，k=1k±（1k）π；现代通信原理实验指导书21－3若令0＝0，则k＝0或±π，此式说明本比特内的相位常数不仅与本比特区间的输入有关，还与前一个比特区间内的输入及相位常数有关。costSMSKkkctTsat2=kcos）（tTs2costccos－kakcos）（tTs2sintcsinkTstTsk)1(令kcos＝kI，－kakcos＝kQ则：tSMSK＝kI）（tTs2costccos＋kQ）（tTs2sintcsinkTstTsk)1(为了便于理解如图21-2所示：1234567891011121314151617181920212223240+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1kakkdkcoskkacos)2sin(cosTstakk000000000000000+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1)2cos(cosTstkk图21-2码元变换及成形信号波形图根据上面描述可构成一种MSK调制器，其方框图如图21-3所示：现代通信原理实验指导书21－4差分编码串/并转换波形选择地址生成器CosωctSinωctMSK信号波形选择地址生成器EEPROMEEPROMD/A转换器乘法器乘法器加法器（运放）D/A转换器CPLDCLKBSNRZ时序电路低通滤波器时序电路低通滤波器IkQk延时TsNRZ图21-3MSK调制原理框图输入数据NRZ，然后通过CPLD电路实现差分编码及串/并转换，得到Ik、Qk两路数据。波形选择地址生成器是根据接收到的数据（Ik或Qk）输出波形选择的地址。EEPROM（各种波形数据存储在其中）根据CPLD输出的地址来输出相应的数据，然后通过D／A转换器得到我们需要的基带波形，最后通过乘法器调制，运放求和就得到了我们需要的MSK调制信号。MSK基带波形只有两种波形组成，见图21-4所示：波形1波形2图21-4MSK成形信号在MSK调制中，成形信号取出原理为：由于成形信号只有两种波形选择，因此当前数据取出的成形信号只与它的前一位数据有关。如果当前数据与前一位数据相同，输出的成形信号就相反（如果前一数据对应波形1，那么当前数据对应波形2）；如果当前数据与前一位数据相反，输出的成形信号就相同（如果前一数据对应波形1，那么当前数据仍对应波形1）。（2）MSK解调原理MSK信号的解调与FSK信号相似，可以采用相干解调，也可以采用非相干解调方式。本实验模块中采用一种相干解调的方式。现代通信原理实验指导书21－5已知：tSMSK＝kI）（tTs2costccos＋kQ）（tTs2sintcsin把该信号进行正交解调可得到：Ik路[kI）（tTs2costccos＋kQ）（tTs2sintcsin]tccos=21kI）（tTs2cos+41kItTsc）（22cos+41kItTsc）－（22cos－41kQtTsc）（22cos+41kQtTsc）（22cosQk路[kI）（tTs2costccos＋kQ）（tTs2sintcsin]tcsin=21kQ）（tTs2sin+41kItTsc）（22sin+41kItTsc）－（22sin－41kQtTsc）（22sin+41kQtTsc）（22sin我们需要的是21kI）（tTs2cos、21kQ）（tTs2sin两路信号，所以必须将其它频率成份）（Tsc22、）（Tsc22通过低通滤波器滤除掉，然后对21kI）（tTs2cos、21kQ）（tTs2sin采样即可还原成kI、kQ两路信号。根据上面描述可构成一种MSK解调器，其方框图如图21-5所示：MSK信号乘法器乘法器时序电路低通滤波器低通滤波器电平比较器电平比较器抽样判决抽样判决数据还原数据还原时序电路并/串转换差分译码SinωctCosωctNRZCPLDCLKBSIkQk图21-5MSK解调原理框图现代通信原理实验指导书21－6将得到的MSK调制信号正交解调，通过低通滤波器得到基带成形信号，并对由此得到的基带信号的波形进行电平比较得到数据，再将此数据经过CPLD的数字处理，就可解调得到NRZ码。在本实验系统中的相干载波是直接从调制端引入，因此解调器中的载波与调制器中的载波同频同相。在实际系统中，相干载波是通过载波同步获取的，相干载波的频率和相位只有和调制端相同时，才能完成相干解调。2、GMSK调制、解调原理（1）GMSK调制原理GMSK调制方式，是在MSK调制器之前加入一个基带信号预处理滤波器，即高斯低通滤波器，由于这种滤波器能将基带信号变换成高斯脉冲信号，其包络无陡峭边沿和拐点，从而达到改善MSK信号频谱特性的目的。基带的高斯低通滤波平滑了MSK信号的相位曲线，因此稳定了信号的频率变化，这使得发射频谱上的旁瓣水平大大降低。实现GMSK信号的调制，关键是设计一个性能良好的高斯低通滤波器，它必须具有如下特性：a、有良好的窄带和尖锐的截止特性，以滤除基带信号中多余的高频成分。b、脉冲响应过冲量应尽量小，防止已调波瞬时频偏过大。c、输出脉冲响应曲线的面积对应的相位为π/2，使调制系数为1/2。以上要求是为了抑制高频分量、防止过量的瞬时频率偏移以及满足相干检测所需要的。图21-6描述出了GMSK信号的功率谱密度。图中，横坐标的归一化频率（cff）ST，纵坐标为谱密度，参变量SbTB为高斯低通滤波器的归一化3dB带宽bB与码元长度ST的乘积。SbTB的曲线是MSK信号的功率谱密度，由图可见，GMSK信号的频谱随着SbTB值的减小变得紧凑起来。需要说明的是，GMSK信号频谱特性的改善是通过降低误比特率性能换来的。前置滤波器的带宽越窄，输出功率谱就越紧凑，误比特率性能变得越差。不过，当25.0SbTB时，误比特率性能下降并不严重。在本实验中，不采用硬件构成高斯低通滤波器进行调制的方法，而是将GMSK的所有组合波形数据（高斯滤波后的）计算出来，然后将得到的数据输入EEPROM中，最后通过数据（kI、kQ）进行寻址访问，取出相应的GMSK成形信号。GMSK同样可以采用MSK的原理框图，其区别在于输出的成形信号要比MSK输出的成形信号多六种（MSK只有波形1、波形5），如图21-7所示：0-20-40-60-80-100-120)(MSKTBSb0.50.300.51.01.52.02.5频谱密度（dB）ScTff)(归一化频率0.160.200.25图1－6GMSK信号的功率谱密度图21-6GMSK信号的功率谱密度现代通信原理实验指导书21－7波形8波形7波形6波形5波形1波形4波形3波形2A类B类110000011010101111100001图21-7GMSK成形信号在GMSK调制中，成形信号取出原理为：由于成形信号有八种波形选择，因此当前数据取出的成形信号不仅与它的前一位数据有关，也与它的后一位数据有关。所以只要知道前一数据用的波形是A类还是B类，然后通过连续三个数据之间相同或不同的关系就可确定当前数据的波形。例如假设前一位数据用的是A类波形，如果当前的数据与前一位数据不相同就采用波形2或波形3，当前数据与下一位数据相同，则可确定当前数据用波形2。GMSK的解调原理同MSK的一样。3、QPSK调制、解调原理（1）QPSK调制原理QPSK又叫四相绝对相移调制，QPSK利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元。我们把组成双比特码元的前一信息比特用a代表，后一信息比特用b代表。双比特码元中两个信息比特ab通常是按格雷码排列的，它与载波相位的关系如表21-1所示，矢量关系如图21-8所示。图（a）表示A方式时QPSK信号矢量图，图（b）表示B方式时QPSK信号的矢量图。由于正弦和余弦的互补特性，对于载波相位的四种取值，在A方式中：45°、135°、2250、315°，则数据kI、kQ通过处理后输出的成形波形幅